特許 7370164 電流センサ及び電力量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-19

(45)【発行日】2023-10-27

(54)【発明の名称】電流センサ及び電力量計

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20231020BHJP

   G01R 22/06 20060101ALI20231020BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 B

G01R22/06 130A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019082101

(22)【出願日】2019-04-23

(65)【公開番号】P2020180797

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2022-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】311002034

【氏名又は名称】富士電機メーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】栗原 晋

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】原山 滋章

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－１８６２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１１９９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２０４４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１１３６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３２６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０７２０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９６４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８１２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７８９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２５１８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８０７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１７２８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０４１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２５３１０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０２５７０６１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １５／１８

Ｇ０１Ｒ ２２／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出すべき電流が流れる電流バーと、
前記電流に対応する磁気を誘起電圧として検出する磁気検出コイルと、
前記磁気検出コイルに発生した誘起電圧をもとに前記電流を計測する計測部とを有した電流センサであって、
前記磁気検出コイルが配置される基板に温度を検出する温度検出部を備え、
前記磁気検出コイルは、前記基板上に形成されたコイルパターンであり、
前記温度検出部は、前記基板上に前記コイルパターンとは電気的に分離された測温抵抗体のパターンを形成し、前記パターンの抵抗値の変化をもとに前記温度を検出し、
前記測温抵抗体のパターンは、前記磁気検出コイルの配置領域と同一領域内であって前記基板の異なる層に配置されることを特徴とする電流センサ。

【請求項2】

前記磁気検出コイルは、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアに形成された１以上の空隙に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記電流バーに流れる電力量を算出することを特徴とする電力量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、簡易な構成で発熱による異常を検出することができる電流センサ及び電力量計に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、用いられている電流センサとしては、変流器（カレントトランス：ＣＴ）や、集磁コアのギャップ部にホール素子などの磁電変換素子を配置した構成や、集磁コアのギャップ部に、巻線コイルや誘電体基板上にコイルパターンを形成した素子をもつ構成などがある。特に、集磁コアのギャップ部に、基板上にホール素子などの磁電変換素子やコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、測定対象である一次電流が流れる回路とは電気的に分離されているため、一次電流側の回路に影響を与えることなく、精度よく電流を計測可能な点で優れている。さらにコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性および温度特性に優れ、部品点数が少なく製造が容易となる特徴を有する（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載された電流センサは、環状の集磁コアの中央開口部に電流バーを通し、集磁コアのギャップ部にコイルパターンが施された基板を配置するものである。電流バーに電流が流れると、電流路の周辺には、電流バーに流れる電流の大きさに比例する磁束が発生する。発生した磁束は、集磁コアによって集磁される。電流が周期的電流である場合、その周期に応じて発生する磁束も周期的に変化する。これにより、コイルパターンをもつ検出コイルには、電流の大きさ及び周波数に応じた誘導電圧が発生し、この誘導電圧を電流バーに流れる電流の検出信号として用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－４８７５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、集磁コアのギャップ部に磁電変換素子を配置する電流センサは、電流計測が可能であるが、温度を検出することができないため、接触不良によって電流バーや端子部に異常発熱が生じた場合、この異常を検出することができないという問題があった。これに対し、温度センサを別に設けて発熱による異常を検出することはできるが、別途、温度センサを追加する設置を行うとコストがかかる。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で発熱による異常を検出することができる電流センサ及び電力量計を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電流センサは、検出すべき電流が流れる電流バーと、前記電流に対応する磁気を誘起電圧として検出する磁気検出コイルと、前記磁気検出コイルに発生した誘起電圧をもとに前記電流を計測する計測部とを有した電流センサであって、前記磁気検出コイルが配置される基板に温度を検出する温度検出部を備えたことを特徴とする。

【0008】

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記温度検出部は、前記基板上に測温抵抗体のパターンを形成し、前記パターンの抵抗値の変化をもとに前記温度を検出することを特徴とする。

【0009】

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記磁気検出コイルは、前記基板上に形成されたコイルパターンであることを特徴とする。

【0010】

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記測温抵抗体のパターンは、前記磁気検出コイルの配置領域と同一領域内であって異なる層に配置されることを特徴とする。

【0011】

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記温度検出部は、前記電流バーに流れる電流の周波数よりも低い周波数あるいは直流の電流を前記測温抵抗体に印加して温度検出を行うことを特徴とする。

【0012】

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記磁気検出コイルは、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアに形成された１以上の空隙に配置されることを特徴とする。

【0013】

また、本発明にかかる電力量計は、上記の発明のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記電流バーに流れる電力量を算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、簡易な構成で発熱による異常を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の実施の形態である電流センサの概要構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、基板の構成を示す模式図である。

【図3】図３は、測温抵抗体の抵抗値の温度依存性を示す図である。

【図4】図４は、変形例１による基板の構成を説明する説明図である。

【図5】図５は、変形例２による基板の構成を説明する説明図である。

【図6】図６は、変形例３による基板の構成を説明する説明図である。

【図7】図７は、本変形例４である電流センサの概要構成を示す斜視図である。

【図8】図８は、図７に示した電流センサを電流バーの軸方向からみた模式図である。

【図9】図９は、実施の形態及び変形例で示した電流センサを用いた電力量計の一例を示すブロック図である。

【図10】図１０は、三相電流及び三相電圧間のベクトル図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

【0017】

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ１０の概要構成を示す斜視図である。また、図２は、基板３の構成を示す模式図である。図１に示すように、電流センサ１０は、電流を流す電流バー２を囲むように形成された集磁コア１及び基板３を有する。基板３は、集磁コア１のギャップ１ａに介在して磁気検出を行う磁気検出コイル４、温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体５、及び、磁気検出コイル４に発生した誘起電圧をもとに電流を計測するとともに、測温抵抗体５の抵抗値の変化をもとに温度を計測する計測部６を有する。

【0018】

図２に示すように、磁気検出コイル４は、ギャップ１ａのギャップ領域Ｅに配置され、測温抵抗体５及び計測部６は、ギャップ領域Ｅ外に配置される。磁気検出コイル４及び測温抵抗体５は、同一のコイルパターンが形成される。それぞれのコイルパターンは、例えば銅などによって形成される。

【0019】

計測部６は、電流計測部７及び温度計測部８を有する。電流計測部７は、磁気検出コイル４の端子４ａ，４ｂから入力される誘起電圧をもとに電流バー２に流れる電流を計測する。温度計測部８は、測温抵抗体５の端子５ａ，５ｂを介して測温抵抗体５に電流を印加し、測温抵抗体５の抵抗値の変化によって温度を計測する。なお、磁気検出コイル４及び電流計測部７は、電流検出部１１であり、測温抵抗体５及び温度計測部８は、温度検出部１２である。計測部６は、電流計測部７が計測した電流及び温度計測部８が計測した温度を、端子９を介して外部出力する。

【0020】

温度計測部８は、例えば、図３に示すように、測温抵抗体５の抵抗値の温度依存性をもとに、測定した抵抗値から温度を計測する。温度計測部８は、例えば、抵抗値が１６Ωである場合、温度を２０℃として計測する。そして、図示しない外部装置は、温度が８０℃を超える場合、異常が発生したものと判定する。すなわち、温度検出部１２は、電流バー２や電流バー２の端子接続部の温度上昇を検出することができる。

【0021】

温度計測部８が測温抵抗体５に印加する電流は、測温抵抗体５がギャップ領域Ｅ外に配置されているため、交流であってもよく、電流バー２に流れる電流の周波数よりも低い周波数としてもよい。測温抵抗体５への交流電流印加は、温度測定の電力ロスを低減することができる。なお、測温抵抗体５に印加する電流は、直流であってもよい。

【0022】

なお、温度検出部１２は、端子５ａ，５ｂと測温抵抗体５との間の配線長などによる抵抗値測定誤差を低減するため、例えば３導線方式が４導線方式によって温度計測を行ってもよい。

【0023】

本実施の形態では、電流検出部１１が配置される基板３に、温度検出部１２を設けているので、別途、温度検出部１２を設置する必要がないため、簡易な構成で、温度検出が可能な電流センサ１０を実現できる。また、磁気検出コイル４及び測温抵抗体５は、同一パターンとしているため、基板３の設計及び製造も容易になる。

【0024】

＜変形例１＞
図４は、変形例１による基板１３の構成を説明する説明図である。本変形例１では、基板３に対応する基板１３を４層構造とする多層基板としている。基板１３は、４層の基板１３－１～１３－４からなる多層基板である。磁気検出コイル４に対応する磁気検出コイル１４－１～１４－４がギャップ領域Ｅにおいて４層構造になっているとともに、測温抵抗体５に対応する測温抵抗体１５－１，１５－２が２層構造となっている。なお、測温抵抗体１５－１，１５－２は、コイル状ではなく、ジグザグのミアンダ状パターンとしている。第１層の基板１３－１には、磁気検出コイル１４－１及び測温抵抗体１５－１が形成される。第２層の基板１３－２には、磁気検出コイル１４－２及び測温抵抗体１５－２が形成される。第３層の基板１３－３には、磁気検出コイル１４－３が形成される。第４層の基板１３－４には、磁気検出コイル１４－４が形成される。

【0025】

第１層の基板１３－１において、端子４ａに接続されるビアｂ１に、磁気検出コイル１４－１が接続される。磁気検出コイル１４－１は、ビアｂ２を介して第２層の基板１３－２に形成された磁気検出コイル１４－２に接続される。さらに、磁気検出コイル１４－２は、ビアｂ３を介して第３層の基板１３－３に形成された磁気検出コイル１４－３に接続される。さらに、磁気検出コイル１４－３は、ビアｂ４を介して第４層の基板１３－４に形成された磁気検出コイル１４－４に接続される。そして、磁気検出コイル１４－４は、ビアｂ５を介して第１層の配線１４ａに接続され、さらにビアｂ６を介して端子４ｂに接続される。すなわち、変形例１の磁気検出コイルは、磁気検出コイル１４－１～１４－４がギャップ領域Ｅ内で多層に重畳配置される。これにより、狭い領域であっても、磁気検出感度を向上させることができる。

【0026】

一方、第１層の基板１３－１において、端子５ａに接続されるビアｂ１１に、ミアンダ状パターンの測温抵抗体１５－１が接続される。測温抵抗体１５－１は、ビアｂ１２を介して第２層の測温抵抗体１５－２に接続される。さらに、測温抵抗体１５－２は、ビアｂ１３を介して第１層に接続されている端子５ｂに接続される。すなわち、変形例１の測温抵抗体は、ミアンダ状パターンの測温抵抗体１５－１，１５－２がギャップ領域Ｅ外で多層に重畳配置される。なお、測温抵抗体１５－１，１５－２は、さらに多層配置してもよいし、他の層に配置してもよい。これにより、狭い領域であっても、測温抵抗体の抵抗値の変化を大きくすることができ、温度測定の精度を高めることができる。

【0027】

＜変形例２＞
図５は、変形例２による基板２３の構成を説明する説明図である。本変形例２では、基板２３－１～２３－６からなる６層構造の基板２３とし、変形例１における測温抵抗体１５－１，１５－２に対応する測温抵抗体２５－１，２５－２をそれぞれ第５層の基板２３－５，２３－６に形成している。なお、第１層から第４層までの基板２３－１～２３－４には、変形例１と同じ磁気検出コイル１４－１～１４－４が形成されている。そして、磁気検出コイル１４－１～１４－４及び測温抵抗体２５－１，２５－２は、すべてギャップ領域Ｅ内で多層に重畳配置される。ただし、測温抵抗体２５－１，２５－２は、測温抵抗体１５－１，１５－２に比べて、ビアｂ２，ｂ４の存在のため、中央部分の蛇行長が短くなっている。

【0028】

本変形例２では、基板の広さを大きくすることなく、温度検出部１２を電流センサ１０に組み込むことができる。なお、測温抵抗体２５－１，２５－２は、ギャップ領域Ｅ内に配置されるため、測温抵抗体２５－１，２５－２に印加される電流は、磁気検出コイル１４－１～１４－４に与える影響をなくすため、直流が印加されることになる。

【0029】

＜変形例３＞
図６は、変形例３による基板３３の構成を説明する説明図である。変形例１，２では、多層基板を用いた一例を示したが、本変形例３の多層基板である基板３３は、半導体プロセスなどによって多層化するのではなく、２つの基板３３ａ，３３ｂを接着によって１つの基板を形成している。例えば、基板３３ａは、磁気検出コイルが多層化された基板であり、基板３３ｂは、測温抵抗体が多層化された基板である。

【0030】

＜変形例４＞
上記の実施の形態及び変形例１～３では、基板３，１３，２３，３３を集磁コア１のギャップ１ａに配置されることを前提としたものであったが、本変形例４では、電流バー２の周囲に基板が配置された電流センサに適用するものである。

【0031】

図７は、本変形例４である電流センサ４３の概要構成を示す斜視図である。また、図８は、図７に示した電流センサ４３を電流バー２の軸方向からみた模式図である。図７及び図８において、電流センサ４３は、電流を流す電流バー２の周囲に形成される磁界を測定して電流バー２に流れる電流を検出する。電流センサ４３は、同一のコイルパターンが形成された、２つの一対の基板４３ａ，４３ｃ、４３ｂ，４３ｄがそれぞれ電流バー２の軸Ｃに対して対称に配置される。４つの基板４３ａ～４３ｄは、それぞれ電流バー２の周囲に等角度間隔で、電流バー２の軸Ｃを中心に９０度間隔で設けられる。基板４３ａ～４３ｄは、コイルパターンが形成されるコイルパターン面と、測定対象の磁束φとの角度が直角になるように設けられる。

【0032】

各基板４３ａ～４３ｄに形成されるコイルパターンは、磁束φによって生ずる誘起電圧が端子４ａから順次加算されるように接続線４２で直列接続される。接続線４２の終端部側である基板４３ｄからの戻り線４１は、接続線４２に沿わせて接続線４２の始端部側の端子４ｂに接続される。

【0033】

すなわち、各基板４３ａ～４３ｄに形成されるコイルパターンは、磁束φの方向からみて誘起電圧が全て同じ巻き方向となるように形成されて加算され、かつ、接続線４２及び戻り線４１による誘起電圧の影響をキャンセルするようにしている。

【0034】

ここで、例えば、基板４３ａには、測温抵抗体が形成された基板４５が接着され、１つの基板を形成している。なお、基板４３ａ内に端子４ａ，４ｂからの誘起電圧をもとに電流を計測する電流計測部７を設けるとともに、基板４５内に端子５ａ，５ｂから取得した抵抗値をもとに温度計測する温度計測部８を設けるようにしてもよい。なお、基板４５内の測温抵抗体には直流が印加される。

【0035】

なお、電流センサ４３は、主として各基板４３ａ～４３ｄ，４５を電流バー２の周りに支持する支持ケース１００を有する。この支持ケース１００は、絶縁材によって形成される。

【0036】

＜電力量計＞
図９は、実施の形態及び変形例１～４で示した電流センサを用いた電力量計２００の一例を示すブロック図である。この電力量計２００は、電源ＳＰと負荷ＬＤとの間の三相電力量を計測するものであり、２電力計法により求めている。なお、図１０は、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ及び三相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ間のベクトル図を示している。

【0037】

図９に示すように、電力量計２００は、実施の形態及び変形例１～４で示した電流センサ１０に対応する電流センサ１０ａ，１０ｂ、電圧センサ２０１ａ，２０１ｂ、電力量算出部２０２、出力部２０３を有する。電流センサ１０ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ１０ｂは、Ｔ相の電流信号を検出する。また、電圧センサ２０１ａは、Ｒ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。電圧センサ２０１ｂは、Ｔ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。

【0038】

電力量算出部２０２は、電流センサ１０ａの電流信号と電圧センサ２０１ａの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求めるとともに、電流センサ１０ｂの電流信号と電圧センサ２０１ｂの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求め、各有効電力を加算した有効電力を電力量として算出する。出力部２０３は、この算出された電力量を表示出力あるいは外部出力する。

【0039】

なお、２電力計法で求める三相電力Ｐは、
Ｐ＝ＶＲＳ・ＩＲ＋ＶＴＳ・ＩＴ
＝（ＶＲ－ＶＳ）・ＩＲ＋（ＶＴ－ＶＳ）・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・（－ＩＲ－ＩＴ）＋ＶＴ・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・ＩＳ＋ＶＴ・ＩＴ
となり、各相の電力を合計した電力を求めたことと同じになる。

【0040】

なお、上記の実施の形態及び変形例では、測温抵抗体を用いた温度計測を行うようにしていたが、これに限らず、例えば熱電対を基板上に形成して温度計測を行うようにしてもよい。

【0041】

また、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ 集磁コア
１ａ ギャップ
２ 電流バー
３，１３，１３－１～１３－４，２３，２３－１～２３－６，３３，３３ａ，３３ｂ，４３ａ～４３ｄ，４５ 基板
４，１４－１～１４－４ 磁気検出コイル
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，９ 端子
５，１５－１，１５－２，２５－１，２５－２ 測温抵抗体
６ 計測部
７ 電流計測部
８ 温度計測部
１０，１０ａ，１０ｂ，４３ 電流センサ
１１ 電流検出部
１２ 温度検出部
１４ａ 配線
４１ 戻り線
４２ 接続線
１００ 支持ケース
２００ 電力量計
２０１ａ，２０１ｂ 電圧センサ
２０２ 電力量算出部
２０３ 出力部
ｂ１～ｂ６，ｂ１１～ｂ１３ ビア
Ｃ 軸
Ｅ ギャップ領域
ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ 三相電流
ＬＤ 負荷
Ｐ 三相電力
ＳＰ 電源
ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ 三相電圧
φ 磁束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】